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ENSAIOS de GRIPAGEM de ENGRENAGENS ADI. Luís Maga1hes*; J. Seabra *CE flffi4gi RESUMO

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ENSAIOS de GRIPAGEM de ENGRENAGENS ADI Luís Maga1hes*; J. Seabra *CE flffi4gi Faculdade de Engenharia da Universidade d Prt- Prtugal **Dep.fjment de Engenharia Mecânica e Gestã Industrial Faculdade de
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ENSAIOS de GRIPAGEM de ENGRENAGENS ADI Luís Maga1hes*; J. Seabra *CE flffi4gi Faculdade de Engenharia da Universidade d Prt- Prtugal **Dep.fjment de Engenharia Mecânica e Gestã Industrial Faculdade de Engenharia da Universidade d Prt-Prtugal RESUMO O cnheciment d cmprtament d Ferr Ndular Austemperad (ADI) cm material empregue n fabric de engrenagens é cmptementad, neste trabalh, cm a realizaçã de ensais de griagem em banc de ensais FZG cm engrenagens prduzidas nesse material. O estud das cndições de cntact impstas a lng ds ensais é caracterizad pr recurs a uma análise teórica baseada na teria Elasthidrdinâmica e cmplementad pr um cnjunt de análises experimentais, incluind técnicas de análise de superfície (rugsimetria, bservaçã em micrscópi electrónic de varriment, etc.) e de análise metalúrgica (espectrescpia, ferrgrafia,), entre utras. O desempenh das engrenagens ensaiadas é cmparad cm de engrenagens fabricadas em aç cementad quand submetidas a testes realizads em cndições idênticas. 1 introdução O ADI (Austempered Ductile irn) é um material de utilizaçã ainda puc frequente a nível da mair parte das empresas metalmecânicas. Se este fact se deve principalmente à insegurança que muits prjectistas ainda revelam sbre a prescriçã d seu us, nã se pde ignrar que, na base dessa insegurança, está a puca divulgaçã que s principais prdutres mundiais de ADI fizeram, até hje, sbre as prestações deste material. Apesar diss, sabe-se que ADI tem vind a ser utilizad cm regularidade, desde meads ds ans setenta, em cmpnentes prduzids pr algumas das maires empresas da indústria autmóvel em td mund (General Mtrs, BMW, Renault, FIAT, etc.). O cnheciment da cnstituiçã de cada ADI, bem cm ds parâmetrs d seu prcess de prduçã (elements ffindamentais para a caracterizaçã de cada variante deste material) têm sid, em muits cass, mantids sb reserva, alegadamente pr questões de segred cmercial das principais empresas que prduzem e utilizam. Além diss, sabe-se também que fram realizads testes exaustivs cm cmpnentes fabricads em ADI, nmeadamente cm engrenagens, mas s resultads respectivs só raramente fram publicads [11. 89 É pssível encntrar várias publicações relativas a este material, send a mair parte delas de cariz académic, nde se pdem cnsultar resultads de muits ensais específics cm ADI. N entant, estes sã, na sua mairia, btids através da utilizaçã de prvetes e nã cm cmpnentes reais slicitads de frma idêntica à da sua utilizaçã qutidiana. Desta frma, e se a nível das prpriedades mecânicas (e utras) já é pssível estabelecer uma gama de características assciada às variantes mais crrentes de ADI, ainda há um grande caminh a percrrer até que se cnsiga uma caracterizaçã segura d desempenh d ADI em determinadas aplicações específicas, cm sã, pr exempl, as engrenagens Esta situaçã fi fundament da realizaçã de um trabalh teóric-prátic sbre desempenh de engrenagens ADI em cndições prmtras de sever desgaste superficial e de gripagem. Para iss fram prduzidas duas engrenagens, fabricadas em variantes distintas de ADI, que fram submetidas a ensais de gripagem n banc de ensais FZG d CETRB-JNEGI. O bjectiv fi de cmplementar cnheciment d cmprtament deste tip de material quand usad em engrenagens. Sã apresentads, em seguida, s principais prcediments e resultads btids a partir destes ensais. base dand rigem a ADI. Só em cass particulares é que tratament de austêmpera antecede a fabricaçã d cmpnente, dad que ADI é um material de maquinagem muit dificil. 2.2 Austêmpera O tratament de Austêmpera inclui duas fases principais (ver figura 1): numa primeira etapa material é aquecid até temperaturas suficientemente altas (cerca de 900 C) para que a sua estrutura se transfrme ttalmente em Austenite; numa segunda fase, e após um arrefeciment brusc, material é mantid a uma temperatura relativamente baixa (da rdem ds 300 C) durante um determinad espaç de temp. Durante este períd a estrutura austenítica d material vai send prgressivamente transfrmada em ferrite e, eventualmente, em carbnets. N final desta etapa, um ADI ideal é cnstituíd apenas pr femte (dispsta de md idêntic a da ferrite baimtica - aglmerads muit cmpacts de agulhas) e de austenite estabilizada (austemte enriquecida em carbn). Temps muit curts de tratament pdem dar rigem à presença de martensite, e temps demasiad lngs causam a precipitaçã de carbnets n sei da austenite: sã duas situações que ftagilizam ntavelmente material e que sã, nrmalmente, evitadas. 2 ADI T AUSEMWAÇÃO 2.1 Prduçã O ADI é um material que se prduz a partir de um ferr fundid cntend grafite esferidal (vulgarmente designad prferr ndular u ferrfirndid ndular e, em inglês, SGI - spheridat graphite irn). Após a prduçã de um dad cmpnente em ferr ndular, este é sujeit a um tratament térmic - a Austêmpera que impõe uma - transfrmaçã estrutural a material de M P E R A T U R A TransE ISOTERMICA 300 C figura 1 - Cicl térmic tipic de um tratament de austêmpera [2] Os parâmetrs adptads durante este tratament, em cnjunt cm as 90 características d própri material de base (qualidade, tip de estrutura e de elements de liga presentes), cnduzem à btençã de ADIs cm características bastante diferentes entre si. Neste sentid, é imprtante ntar que quaisquer prpriedades e valres assciads a características de ADI sã sempre referentes a uma variedade específica, nunca pdend ser bservads cm um carácter geral para qualquer utra variante deste material. Neste sentid, muits autres apntam ADI nã cm um material mas sim cm uma família de materiais. 2.3 Características mecânicas Tipicamente, um ADI pde apresentar uma resistência mecânica elevada (a nível ds açs ligads de alta resistência, pdend atingir valres da rdem ds 1600 MPa de tensã de rtura) [3J, e uma óptima resistência a desgaste superficial (cnseguem-se, em determinadas cndições de funcinament de engrenagens, taxas de desgaste 50% mais baixas que as registadas cm engrenagens fabricadas em aç cementad)[4j. O ADI é um material relativamente dúctil, cuj alngament à rtura pde atingir valres da rdem ds 12% e, apesar da sua dureza pós-prduçã nã ser muit elevada, cnstata-se um endureciment superficial ntável em cmpnentes que, em funcinament, estã sujeits a cntacts cm transferência de carga, chegand a dureza a atingir valres lcais de cerca de 900 HV]. [5]. Este endureciment está assciad a um fenómen estrutural em que se verifica uma transfrmaçã da austenite estabilizada em martensite nas znas em que esta é slicitada mecanicamente. 2.4 Outras prpriedades O ADI é mtiv de interesse sbretud pela sua grande resistência a desgaste superficial. N entant, este tip de material pssui utras características imprtantes, cm sejam seu baix pes específic u a sua grande capacidade de amrteciment de vibrações, que permitem prduzir engrenagens mais leves e silencisas que as engrenagens cnvencinais em aç. Além diss, em tds s passs d prcess prdutiv quer ds cmpnentes quer d material em si, cnseguem-se reduções significativas ds custs quand cmparads cm s resultantes da prduçã ds mesms cmpnentes em aç. Este aspect é particularmente imprtante n cas das engrenagens, sbretud prque: - ferr ndular é mais barat que aç ligad de alta resistência; - tratament de austêmpera é mais barat que de cementaçã u nitruraçã; - a maquinagem d ferr ndular é mais fácil e barata que a d aç; - ferr ndular pde ser vazad, permitind fabric de peças pr mldaçã; 3 ENSAIOS 3.1 Ensais de gripagem Os ensais de gripagem realizads seguiram a nrmalizaçã D1N [6], de acrd cm prcediment d ensai FZG A18.3/90 [6]. Este ensai destina-se a testar a capacidade prtectra de um determinad óle lubrificante, send sempre realizad recrrend a uma engrenagem-padrã fabricada em aç 20 MnCr5 cementad [7J. Neste cas particular, e cm bjectiv nã é testar óle mas sim a engrenagem, prcediment fi invertid, ist é, s ensais fram realizads cm engrenagens ADI distintas utilizand sempre mesm tip de óle lubrificante. Este prcess permite, pr cmparaçã cm utrs ensais realizads cm mesm tip de lubrificante, determinar a resistência a desgaste e à gripagem de cada uma das engrenagens (este tip de ensai é sempre cmparativ). 91 3.2 Prcediments O ensai FZG AI8.3/90 cnsiste em slicitar a engrenagem em teste de acrd cm uma sequência de carregament prédeterminada, a lng de um cnjunt de períds de quinze minuts (estágis). A tensã de cntact impsta à superficie ds dentes da engrenagem aprxima-se de 2 GPa para estági 12. A engrenagem é mntada dentr de um cárter fechad cntend óle lubrificante, e a temperatura deste é estabilizada a 90 C antes d iníci de cada estági. A lng de cada períd de funcinament, um mtr eléctric acplad a vei da rda da engrenagem anima-a cm uma velcidade de rtaçã cnstante (1500 rpm). O ensai dá-se pr terminad quand as superficies da engrenagem se cnsiderarem gripadas (quand a sma das áreas da superficie ds dentes cntend riscs de adesã crrespnder à área d flanc de trabalh de um dente). O resultad d ensai é express em terms d númer de estágis que a engrenagem funcinu até atingir a gripagem. Figura 2 - Aspect de uma máquina de ensais FZG [7] 3.3 Indicadres Para além d númer de estágis que uma dada engrenagem cnsegue funcinar sem gripar, alguns elements que sã reclhids a lng de cada estági d ensai FZG sã indicadres preciss d desempenh d cnjunt engrenagem-óle lubrificante. A temperatura atingida pel lubrificante em cada estági permite, pr recurs à teria EHD, caracterizar algumas das cndições de funcinament geradas n cntact durante estági, nmeadamente a espessura mínima teórica de filme lubrificante e a viscsidade d óle para as cndições de funcinament, entre utras. A reclha de uma amstra d óle lubrificante n final de cada estági permite estabelecer uma curva de desgaste da engrenagem, a lng de td ensai, através da utilizaçã de técnicas de ferrmetria (que cntabilizam númer de partículas metálicas libertadas para óle) u de ferrgrafia (que indicam a presença de utr tip de partículas n sei d lubrificante). Este tip de análise permite, em cnjugaçã cm técnicas de perfilmetria, deduzir alguns aspects imprtantes em terms da evluçã d estad das superficies a lng d ensai. 3.4 Preparaçã ds ensais Para que s resultads deste tip de ensai sejam válids, ist é, para que se pssam cmparar directamente cm resultads de utrs ensais semelhantes, é necessári que as engrenagens utilizadas cumpram as especificações da nrma. Este aspect é fundamental n que diz respeit à gemetria da engrenagem (númer de dentes da rda e d pinhã, desvis de geraçã d dentad, etc.), mas também n tcante à sua qualidade de fabric. De fact, pequens defeits na engrenagem (na gemetria d perfil ds dentes, pr exempl) pdem cnduzir a situações de funcinament substancialmente diferentes das previstas e, assim, adulterar pr cmplet s resultads btids. N sentid de garantir que as engrenagens ADI utilizadas pssuíam uma gemetria adequada à realizaçã ds ensais, estas fram bservadas em 92 prjectr de perfis (cm uma ampliaçã de 15 vezes). As pequenas diferenças encntradas (relativamente as perfis teórics) nã eram significativas. Para mais tarde pder determinar tip de evluçã d estad das superflcies a lng ds ensais, alguns dentes ds pinhões e das rdas fram analisads pr rugsimetria. Ist permitiu caracterizar as superficies n seu estad riund de maquinagem (n final ds ensais esta análise fi repetida, caracterizand as superficies à psteriri). O valr da rugsidade inicial média encntrad fi de cerca de 2 p.m (Ra), em ambs s cass, que denuncia um acabament puc fin (uma engrenagem-padrã FZG apresenta valres da rdem ds 0.5 i.m Ra). As estrias de maquinagem eram cnstituíds pr sulcs da ferramenta de rectificaçã dispsts transversalmente em relaçã a sentid d escrregament entre dentes quand em funcinament. 3.5 Caracterizaçã d material O ferr ndular utilizadô para a prduçã das engrenagens fi ligad cm 1% de cbre e 0.5% de manganês. O tratament de austêmpera fi efectuad de md diferente para cada engrenagem, tend uma sid tratada istermicamente a 280 C e a utra a 360 C [21. Fram feitas medições de dureza que mstraram que ADI tratad a 280 C, de acrd cm as expectativas teóricas, é um material mais dur que tratad a 3 60 C (40 HRC cntra 30 HRC deste últim). A prduçã de amstras a partir de dentes ds pinhões ensaiads permitiu a bservaçã das estruturas de ambas as variantes a micrscópi. O us d micrscópi electrónic de varriment pssibilitu a verificaçã d tip de ferrite presente em cada variante. O ADI tratad a 280 C pssuía uma estrutura cmpsta pr ferrite baínítica d tip inferir, e utr pr ferrite baimtica d tip superir (em qualquer ds cass nã fi bservada a presença de carbnets u utras fases estranhas). A cnstituiçã destes dis tips de ferrite é sensivelmente diferente, send a ferrite bainítica inferir uma estrutura mais cmpacta e tenaz, enquant a ferrite bainítica superir, cntend um mair ter de austenite estabilizada, cnfere a material mair ductilidade. A grafite presente n material prduzid apresentava uma distribuiçã bastante unifrme, send a sua quantidade Figura 3 - Aspect de micrestruturas de ADIs: [2] à esquerda, cntend femte bainitica inferir; à direita, cntend femte bainítica superir; 93 superficies de trabalh ds dentes, bem tip de desgaste encntrad nas bservações realizadas através d Cm cmplement desta análise, cm detalhes que cntribuíram para 3.6 Caracterizaçã das engrenagens micrscópi óptic permitiram caracterizar estud d cmprtament destas engrenagens durante s ensais. cementad: cm ADI tem um módul superficies, ptams pr equalizar as menres pressões de cntact. Cm bjectiv fi estudar cmprtament das verificadas em engrenagens de aç a lng d ensai FZG. 3.7 Lubrificante lcais, a nível d cntact, semelhantes às pressões n cntact, garantid cndições cumpriam tdas as especificações fram prduzidas cm uma largura de desenvlvids perante as slicitações ds gemátricas nrmalizadas except n dentad de 16 mm. Esta pçã visu garantir que s níveis de pressã superficial engrenagens e para engrenagens de aç ensais fssem s mesms para estas 20 mm nrmalizads, estas engrenagens tcante à largura d dentad. Em vez ds As engrenagens ADI ensaiadas Crrecçã de geraçã d pinhã Crrecçã de geraçã da rda -0.5 Ângul de pressã efectiv 22.5 graus Módul 4.5 mm Entreix 91.5 mm Diâmetr primitiv d pinhã Diâmetr primitiv da rda Númer de dentes d pinhã Númer de dentes da rda Ângul de pressã graus Largura d dentad 20 mm mm mm TABELA 1 - engrenagem FZG tip A [71 Características de uma permitind a cmparaçã directa ds segund s mesms prcediments, as lubrificantes A/$.3/90 seja válid, que cumprir especificações nrmalizadas Para que ensai nrmalizad de resultads btids cm utrs realizads características da engrenagem padrã têm (engrenagem FZG tip A) [7j, cnfrme a Tabela 1. ndular utilizad. e tamanh nrmais para tip de ferr 94 é dificil estimar a cntribuiçã e a influência O lubrificante nã é renvad nem variedade parafinica de óle base (ISO Apesar de se saber que este tip de óle nã garante a integridade das superficies ds dentes das engrenagenspadrã FZG em aç a lng de muits estágis d ensai de gnpagem, esta pçã parâmetrs na análise das situações de cntact geradas nestes ensais. De fact, pr técnicas de ferrmetna e ferrgrafia. final de cada estági de cada um ds parte ds aditivs de extrema pressã n Em tds s ensais fi utilizad mesm tip de óle lubrificante: uma VG6$ [8]) sem aditivs. permite evitar a intrduçã de nvs ds mecanisms de actuaçã da mair btids ser demasiad dependentes da sua presença e, assim, mascarar a capacidade desempenh das superfícies ds dentes das engrenagens, pdend s resultads suplementares desde primeir até a engrenagem durante cada ensai FZG. N de resistência a desgaste das próprias últim estági de funcinament da ensais, é reclhida uma amstra d lubrificante destinada a análise psterir superficies. sã adicinadas quaisquer quantidades é mair neste material, cnduzind a cntact gerada perante uma mesma carga de Yung inferir a d aç, a área de 4 RESULTADOS 4.1 Resum Tend sid prduzidas duas engrenagens (a primeira austemperada a 280 C e a segunda a 3 60 C), fram planeads quatr ensais. N entant, cm se verificu uma fractura de um dente da engrenagem austemperada a 3 60 C durante seu primeir ensai, apenas fi pssível cncretizar três ds quatr testes inicialmente prevists. A Tabela 2 apresenta as cndições de cntrle da temperatura d lubrificante e d númer de estágis que as engrenagens realizaram até à gripagem para cada um ds ensais efectuads. Para efeits de cmparaçã, a Tabela 3 apresenta resultads de dis ensais realizads nas mesmas cndições (cm as mesmas slicitações e cm mesm tip de óle lubrificante) cm engrenagens-padrã FZG (tip A, em aç 2OMnCr5 cementad). A capacidade de resistência das superficies ADI nas cndições ds ensais efectuads (slicitações severas, atingind quase 2GPa de pressã de cntact, estand as superflcies prtegidas pr um lubrificante sem aditivs e de baixa viscsidade) fi mtidamente superir à das engrenagens de aç ensaiadas em cndições semelhantes. 4.2 Parâmetrs N final de cada estági destes ensais fi reclhida uma amstra d óle lubrificante para análise pr ferrmetria e registada a sua temperatura. Os gráfics presentes nas figuras 4 e 5 mstram a evluçã desses parâmetrs, para cada cas, a lng ds ensais respectivs. TABELA 2 - Parâmetrs ds ensais realizads cm engrenagens em ADI ENGRENAGEM TRATAMENTO TEMPERATURA ESTÁGIO FINAL] ADI 280 face A 280 C! 1h livre 11 (GRIPAGEM ADI 280 face B 280 C / 1h 150 C 11 (GRIPAGEM ) ADI 360 face A 360 C! 1h livre 12 (FRACTURA ) TABELA 3 - Parâmetrs de ensais realizads cm engrenagens em aç. ENGRENAGEM TRATAMENTO TEMPERATURA ESTÁGIO FINAL AÇO 2OMnCr5 cementad livre 4 (GRIPAGEM) AÇO 2OMnCr5 cementad 100 C 6 (GRIPAGEM) 95 i120,100 AO( AI] 0-A a) Riscs Gragem 1 Fractura X Terrp. livre T.cnst.(I) EstãgbFZG Figura 4 - Evluçã da temperatura d lubrificante a lng ds ensais [2]. 200 a AI] 280-A «--» AD1280-B - -ADI a w80 -D 60 a) 4 a) g20 O Riscs cripagern 1 Fractura X Tënp. livre 1. cnst. (150 ) - 11 Estági FGZ Figura 5 - Evluçã d númer de partículas de desgate presentes n lubrificante a lng ds ensais [2]. A bservaçã destes gráfics permite estabelecer algumas cnclusões, nmeadamente: - a respsta, em terms de temperatura e de taxa de desgaste, é mais próxima ns ensais realizads a temperatura livre cm as diferentes variantes de ADI d que para mesm ADI quand ensaiad u em cndições de temperatura livre u cnstante (150 C); - ns ensais a temperatura livre, ADI 360 apresentu uma melhr resistência a desgaste, nã chegand a atingir a gripagem das superficies ds seus dentes até a estági 12 (altura em que um ds dentes da rda fracturu, brigand a terminar ensai); - n ensai a temperatura cnstante, as cndições de funcinament da engrenagem tratada a 280 C fram mais favráveis d que n ensai a temperatura livre, que se deduz pel baix aument d númer de partículas metálicas libertadas para óle a lng d ensai. 96 -. A alta temperatura d lubrificante terá sid, neste cas, respnsável pr uma rdagem mais eficaz, prprcinand superficies de trabalh mais unifrmes, e permitind uma baixa taxa de desgaste a lng ds estágis seguintes. N entant, e cm se pde ver pels valres apresentads, s primeirs riscs de adesã surgiram lg n estági 10, e a gripagem crreu de frma generalizada n estági 11, acmpanhada de um aument súbit d númer de partículas libertadas para óle. 4.3 Análise teórica Através de expressões de cálcul baseadas em pressupsts da teria EHD fram calculads alguns parâmetrs triblógics que permitem uma melhr caracterizaçã das cndições de ffincinament destas engrenagens. Sã apresentads valres da Espessura especifica (mínima) de filme lubrficante (figura 6) e da Temperatura máxima n cntact (figura 7). Os valres da espessura específica de filme lubrificante apresentads fram calculads a partir ds valres da espessura mínima de filme (cmgida termicamente) e ds valres de rugsidade média (Ra) das a- ADI ADI 280-A G- AD1280-B Riscs Griagem Fractura X W 0.1 Ternp. bvre T. cõnst. (150 ) - O Estági FZG figura 6 - Espessura especifica de filme () calculada a lng ds ensais [2] ) 300 tu 250 x E 200 tu J50 1O0...:. r1i ADI_280A - ADI_280 ADI_360 Riscs Gripagem O Estági FZG 1 Figura 7 - Tem

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Jul 12, 2018

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